最贵 最复杂!哈勃继任者韦伯太空望远镜发射(组图)

美东时间12月25日7时20分，哈勃太空望远镜“继任者”詹姆斯·韦伯太空望远镜从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。据了解，韦伯太空望远镜耗资约100亿美元，比哈勃望远镜大六倍，有望观测到135亿年前宇宙的“模样”。韦伯望远镜的观测位置距地球约160万公里，大约4倍于地球和月亮之间距离，它将与地球同步环绕太阳运行，始终停留在地球夜面。(财联社)

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澎湃新闻

造价约100亿美元的世界最大太空望远镜、哈勃望远镜继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于美国东部时间12月25日7时20分（北京时间12月25日20时20分）搭乘阿丽亚娜航天公司阿丽亚娜5号火箭从法属圭亚那库鲁发射升空，前往距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点绕太阳运行，持续观测宇宙。按计划，韦伯望远镜与阿丽亚娜火箭分离后，太阳能阵列将在几分钟内部署，利用阳光发电。它将经历6个月的调试，包括展开镜片、遮阳板和其他较小的系统，韦伯的工作温度在-223°C以下，因此还要降温并校准。试运行阶段后将发布首批图像，常规科学操作也将启动。

如果一切顺利，詹姆斯·韦伯太空望远镜将是世界上首屈一指的空间科学天文台，用于解决太阳系谜团，观测其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。

韦伯望远镜项目于上世纪90年代启动，这台造型奇特的望远镜由18面可展开的镀金六边形镜片组成，涂了48.25克黄金。主镜直径6.5米，是31岁“高龄”的哈勃太空望远镜的2.7倍。

由于对红外波长做了优化，韦伯望远镜有更长的波长覆盖，灵敏度也大大提高，可以补充和扩展哈勃望远镜的发现。

韦伯的主要目标之一是探测宇宙中最早一批恒星的形成。但它到底能看多远？NASA曾对这一问题作出回应：宇宙已有138亿年历史，而第一批星系发出的光已经传播了136亿年。

这意味着，韦伯望远镜或许能观测到那时候宇宙的“模样”。

18面镀金六边形镜片组成，工作温度-223°C以下

韦伯望远镜造型奇特，由18面可展开的镀金六边形镜片组成。之所以镀金是为了优化望远镜对红外线的反射。NASA说，韦伯望远镜涂了48.25克黄金，相当于一个高尔夫球的质量。实际上，黄金镀层之上还涂了一层薄薄的非晶态SiO2来保护黄金。

韦伯和哈勃的主镜对比望远镜的主镜直径6.5米，是哈勃太空望远镜的2.7倍，聚光能力更强，视场更大。但韦伯的质量约6500千克，只有哈勃望远镜质量的一半多一点。韦伯望远镜发射后任务寿命不少于5年半，目标是拥有超过10年的寿命。其配置的科学仪器有近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、精准制导传感器/近红外成像和无缝摄谱仪（FGS-NIRISS），这些仪器将捕捉天体的图像和光谱。

由于对红外波长进行了优化，韦伯望远镜有更长的波长覆盖，灵敏度也大大提高，可以补充和扩展哈勃望远镜的发现。尽管哈勃也有红外观测能力，但它主要用光学和紫外波长来观测宇宙。

宇宙在不断膨胀，那些早期恒星和星系正在快速远离我们，产生红移效应：它们发射的光都已经转移到了波长较长的红外线波段。

这使得韦伯望远镜能接收这些早期星系发射的红外光，回溯更遥远的时间，找到在早期宇宙中形成的第一批星系，也可以观测今天恒星和行星系形成的尘埃云内部，研究恒星和行星的形成。这是因为刚刚形成的恒星和行星隐藏在吸收可见光的尘埃茧后面，但红外光可以穿透并揭示里面的情况。

韦伯望远镜将在距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点对宇宙进行持续观测韦伯望远镜将在距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点（太阳和地球之间的引力平衡点）绕太阳运行。比起在570公里轨道高度绕地球运行的哈勃望远镜，它需要保持极低的工作温度、稳定的指向和更高的观测效率。由于韦伯主要观测来自遥远天体的红外光，而红外线是一种热辐射，就连望远镜也会发出红外线。为了避免来自望远镜的辐射淹没非常微弱的天文信号，望远镜和仪器温度必须极低。

这时候遮阳板就派上用场了。韦伯望远镜的五层可展开遮阳板长22米，宽12米，有一个网球场那么大。在日地拉格朗日L2点这个特殊的位置，遮阳板能一直阻挡来自太阳、地球和月球的光线，这里寒冷而稳定的温度能让韦伯望远镜开展非常灵敏的红外观测。

NASA介绍，实际上，韦伯的工作温度在-223°C以下，而其中的中红外仪器（MIRI）更是要使用制冷系统，在-266° C的温度下工作。

造价百亿美元，探索宇宙的神秘结构和起源

1990年发射升空的哈勃太空望远镜已经观测宇宙30多年，远远超出了它的原定退役年限。

作为哈勃的继任者，韦伯望远镜项目于上世纪90年代启动，原名“下一代太空望远镜”，后来为了纪念领导阿波罗登月计划的NASA第二任局长詹姆斯·E·韦伯（James E. Webb）而更名为詹姆斯·韦伯太空望远镜。

韦伯和哈勃的尺寸1995年，由天文物学家们组成的委员会向当时的NASA执行长丹尼尔·戈丁提交了一份关于这个继任望远镜的设计建议，立马引起了戈丁的兴趣。但当时戈丁在科研方面致力于推行“更快、更好、更廉价”的改革，对望远镜的设计进行了一系列具有风险的变动，直到1999年NASA接连损失广角红外探测望远镜、火星气候轨道器和火星极地着陆者，韦伯望远镜才恢复传统设计，但这也导致它的预算突破10亿美元。

来自各个国家、各个机构的科学家们纷纷参与这个项目，不断增加韦伯望远镜的复杂性。它也成了美国天文学界2001年制定的“十年计划”重头戏，当时天文学家们毫不怀疑韦伯望远镜的如期竣工。但现实却是惨遭“打脸”。

2010年，《自然》将韦伯望远镜比喻为“The telescope that ate astronomy（吃掉天文学的望远镜）”。20多年间，韦伯望远镜也确实如“饕餮”般源源不断地吞噬美国天文学的经费和资源，从一开始的5亿到10亿一路飙升到了88亿美元，如今造价约100亿美元，是NASA历史上最复杂、最昂贵的天文项目。

发射时间也一再跳票，有计划过2011年发射，后来改到2014年，之后又推迟到2019年，到今年也是几经推迟。由于一再延迟发射，它被戏称为“鸽王”。不过NASA主管科学的副局长Thomas Zurbuchen表示，“当你搞一座价值100亿美元的望远镜时，保守点是最重要的。”

如今，这台由NASA、欧洲航天局和加拿大航天局共同研发的世界最大太空望远镜漂洋过海5800英里（约9334公里），从法属圭亚那库鲁发射升空，踏上距离地球150万公里的旅程，耗时约1个月才能抵达目的地。

韦伯望远镜承担了四大科学目标：寻找大爆炸后形成的第一批星系或恒星；确定星系从形成到现在是如何演化的；观测恒星和行星系统的形成；测量行星系的物理和化学性质，并研究这些系统中存在生命的可能性。

但它到底能看多远？NASA曾对这一问题作出回应：宇宙已有138亿年历史，而第一批星系发出的光已经传播了136亿年。

这意味着，韦伯望远镜或许能观测到那时候宇宙的“模样”。

两千多年前，我国战国诗人屈原在长诗《天问》的开篇写到：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”

意思是：

“远古开始之时，谁将此态流传引导？

天地未成形之前，又从哪里产生？”

两句话道出了古人对宇宙的终极拷问：

宇宙，究竟从何而来?

……

两千多年后，加拿大宇宙学家Lawrence M. Krauss用了一首诗，对屈原的提问作出了解答：

“你身体里的每一个原子都曾经来自一颗爆炸了的恒星，

你左手的原子和右手的原子也许来自不同的恒星。

这实在是我所知的物理学中最富有诗意的东西：

你的一切都来自星星……

忘掉耶稣吧，星星都死去了，你今天才能在这里。”

Krauss的回答却也只解答了一部分，他简洁道出了宇宙大爆炸以来，星系诞生，文明孕育的过程。

而关于宇宙诞生的那个终极问题，人类依旧没有最确切的答案…

不过，今天的北京时间20:20，人类踏上可探寻宇宙终极奥秘的冲刺旅程：

人类有史以来最强大的太空望远镜，一个花掉整个NASA过去20年来1/4预算的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）即将升空，它要到离地球150万公里外的地方，寻找宇宙起源爆炸之后残留下来的那些“最初的光芒”。

这架尺寸和能力都远超前辈的太空望远镜，承载着全人类观测更遥远深空，找到“开天辟地”最初线索的希望。

对宇宙终极奥秘的探寻堪比一场跨时代的接力赛，追随前辈的足迹，如今的韦伯太空望远镜手握时代的接力棒，即将向终点发起最后的冲刺…

寻找“开天辟地”的那一束光

韦伯太空望远镜的升空，离不开前辈哈勃太空望远镜前面三十一年的披荆斩棘。

作为史上第一款超级红外线太空望远镜，韦伯太空望远镜正是为遥望哈勃视力所不及的深空而生。

要了解韦伯太空望远镜的意义，就得从哈勃太空望远镜说起…

1990年，美国宇航局NASA的发现号航天飞机，载着哈勃太空望远镜飞向离地面570公里的太空，在近地轨道上替人类观测浩瀚星空。

在这之前，人类站在地球上，用光学和射电望远镜，克服云层，光照，恶劣天气的干扰，作出了一个又一个伟大的天文发现。

我们的前人用望远镜，从地球上发现了八大行星，又找到了行星的一个又一个卫星，观测到了土星环。

然而人类并不满足，我们还想把星辰和宇宙，看得更清楚。

于是，我们将哈勃太空望远镜送到了太空，它得以拨开地球大气层的迷雾，从太空里将银河，甚至更遥远的星系看得更真切。

哈勃太空望远镜

事实证明，由近到远，这双太空中的千里眼，给人类带来了一个又一个远超预期的惊喜！

它看清了遍布整个火星的庞大沙尘暴…

它清晰记录下了土星上各种形态的极光…

它看清了深空中成千成万的星团，记录下了数百万颗星星分布的浩瀚星空，令科学家们得以从中发现恒星诞生的星云。

也让科学家们看到恒星垂死时喷发出的层层烟环…

这些惊人的发现，让我们得以了解我们身处的银河系，乃至太阳系的出生，成长和死亡：

原来，太阳也不过是浩瀚宇宙中无数恒星中的普通的一颗。

哈勃还告诉我们，哪怕是对着我们曾经认为最“空”的一块天空，

如果让哈勃极力观测的话， 哈勃能在这么一片“黑”里，看到里面仍然包含着成千上万个跟银河系一样的星系。

哈勃望远镜，就这样一点点的帮助我们窥到宇宙的秘密。

然而，才刚刚触碰到终极奥秘边缘的哈勃望远镜，很快感受到了心有余而力不足。

哈勃是有局限的，它最初设计是用来观测可见光和紫外线，红外线观测只是其中一部分有限的功能。

它原本没有想到能看那么远…

要想能够看到更古老和更遥远的宇宙，

我们需要一款比哈勃视力强大，还能以红外线探测为主的一款太空望远镜！

也因此，在哈勃上天之后，制造新一代的，专精红外线观测的太空望远镜，被NASA提上了日程。

那么可能很多人就要问这个问题

为什么想要看到更远，更古老的宇宙，必需要有红外线观测能力强大的望远镜呢？

这其中有两个主要原因，“红移”效应，和宇宙尘埃。

“红移”效应

在物理学和天文学中，所谓红移，指的是物体电磁辐射由于“某些原因”频率降低，波长变长的现象。

比如，从波长较短的可见光，变为波长较长的红外线。

在宇宙中，红移现象非常普遍。

现在我们都知道一个常识，宇宙是在不断加速膨胀的（这也是哈勃望远镜观测并证实的），也就是说，宇宙里的各个星系，时时刻刻都在加速远离彼此…

如果我们以地球为参照物观察其他星系，我们会感觉这些星系相对我们都在加速远去。

因此，如果我们观察它们发出的光，会看到随着它们的加速远离，光的波长在不断拉伸，变长的。

出现这种现象的原因有三个，第一个原因是多普勒效应，多普勒效应的形象解释就是：

好比一个人站在路边，救护车经过他并开始远离时，这人会感觉救护车鸣笛的音调下移，笛声并变得越来越低沉。

这是因为，随着人和救护车之间距离变长，观测者会感到自己接受到的声波频率降低，波长变长。

而反之，当救护车离一个人越来越近的时候，人接受到的鸣笛声波频率会升高，波长变短，人听到的笛声会比正常的鸣笛声更加尖锐刺耳…

多普勒效应不仅适用于声波，也适用于电磁波，也就是光。

遥远星系发出的光的波长同样会随着距离的变长，导致光的频率变大，波长变长。

于是，哪怕是发出强大紫外线的天体，如果他的距离跟我们足够的遥远，，会在穿越庞大的宇宙空间时，波长不断拉伸，直至变成波长非常非常长的红外线…

在宇宙中，除了多普勒效应，还有广义相对论里引力场造成的引力红移，以及宇宙膨胀导致空间发生膨胀而引发的宇宙学红移（因原理相对复杂，在此不做深入讨论）。

三种因素叠加，这就导致了，如果我们想看到距离更远的天体，紫外和可见光范围是看不到了，只能在红外线的频谱里去看。

于是，为了寻找那些穿越了几十亿上百亿光年的红外线，那些可能由宇宙诞生之初，最早孕育出的星系发出来的古老星光，必须由韦伯太空望远镜这样强大的红外线太空望远镜出马。

而前面提到的第二个必须用红外线的原因，是因为：

宇宙尘埃

我们可以用几个图来对比一下说明这个问题

哈勃望远镜观测到的较近的银河系鹰状星云——“创世之柱”，这可以说是哈勃最著名的照片之一了。

这些尘埃气团里，孕育了大量形成初期的恒星。

在可见光的频段下，它是这个样子的…

在这样的尘埃团中，我们能看到少部分刚刚形成开始发光的恒星。

但是，如果我们调成红外光观测模式，会看到星云的暗处布满了密密麻麻的星光。

我们在看看其他的对比

左：可见光  右：红外光

是不是在红外下能看到的星星更多？

因为红外线就是这么一种能穿过宇宙绝大部分星云和星系尘埃的光线。

也只有通过红外光的观测，我们才能捕捉到那些更古老遥远星系，穿越层层宇宙尘埃，最终到达地球光芒。

这通过目前哈勃有限的红外观测能力所达不到的。

有科学家做了一个很形象的比喻：

哈勃太空望远镜能观测的是成年，青年的星系，而韦伯太空望远镜能观测到的，是幼儿，婴儿时期的星系。

就探索宇宙起源这个终极奥秘来说，韦伯太空望远镜才是当之无愧的专职大杀器！

在韦伯之前，人类不是没想过制造一款强大的，专精探测红外线的太空望远镜。

2003年，NASA就曾经发射了斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope，SST）来执行这一功能，指望它填补哈勃在红外线领域的短板。

然而，由于年代的原因，斯皮策太空望远镜的预期设计并不完善，拍下的照片分辨率不够高，且使用年限较短，在取得了一系列较为惊艳的发现后，斯皮策太空望远镜于2020年1月30日退役。

拍摄同一个星系对比：

上半部分哈勃望远镜，下半部分斯皮策望远镜的红外线曝光图

斯皮策太空望远镜同样不能承担起探索宇宙起源的重任。

看起来，人类比任何时候都迫切需要那么一款，远超哈勃的红外线观测能力，还能拍出分辨率不输哈勃的高清图像，甚至，它还能被安放在离地球更高更远的地方，稳定专注地观察深空的望远镜。

千呼万唤始出来，美国宇航局NASA酝酿和制作多年的詹姆斯·韦伯太空望远镜，今天由阿丽亚娜五号运载火箭发射，

开始前往距地球150万公里外的拉格朗日L2点。

这一次，人类雄心勃勃，对韦伯太空望远镜寄予厚望，希望靠它，找到“开天辟地”的那第一束光…

人类天文史上最精妙的仪器

韦伯太空望远镜走到今天这一步，属实不易。

这一路可谓历尽波折。

早在1996年，它就被NASA提上了日程，那时候的预算5亿美元，原定2007年发射。

没想到后来，预算一再超支，计划也因各种原因屡屡推迟。

到了2002年，项目组才正式确定，以NASA第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名了这台全新的望远镜，但项目进展依旧状况不断。

詹姆斯·韦伯

到了2005年，原定方案又被推翻，NASA宣布望远镜重新设计…

就这样，从2005年开始，NASA的科学家们从零开始，再次尝试各种方案，找遍了地球上最先进的技术，又花费了十一年时间，才最终将这个超级红外线望远镜制造完成…

辛苦造好之后，接下来就是检验测试。

要知道，韦伯望远镜不仅要在太空极端环境下工作，还要经受发射过程中剧烈颠簸的考验。整个过程又是一波三折。

从2016年到2018年，韦伯望远镜因为检测中状况不断，部署又被一再推迟。

2018年3月，NASA再次推迟了韦伯望远镜的部署：原因是这一次在展开演习中，防光罩不幸脱落，不得不全部重新检修和排除故障…

到了2020年3月，好不容易调试完毕，打算发射和部署，又赶上了新冠疫情大爆发，发射计划不得不再一次推迟。

终于到了今年，一切看起来终于正常了，又经过几次推迟。

NASA终于宣布，韦伯太空望远镜定于2021年12月25日，UTC 12：20（北京时间20:20）拟定发射。

历时25年，前后耗费100亿美元，占了NASA这些年来全部预算四分之一的韦伯太空望远镜，终于要被送入太空了…

而这融合了多项目前人类最顶尖科技，堪称技术独步天下的韦伯太空望远镜，究竟包含了那些“黑科技”呢？

让我们从发射载具 ，图像处理系统，电子系统，冷却系统，镜面和防光罩这几大方面来挨个说一说。

发射载具

我们首先来大致看一下韦伯太空望远镜的外观。

展开之后，从外面看，它包含主镜，副镜，科学仪器，稳定翼，防光罩，天线，太阳能阵列，航天器总线几大部分。

展开之后是个长20米，高14米的大家伙…

等比例实物模型对比

这么大的东西，肯定没办法直接这么发射上去。

因此，为了把这个大个儿送上天，技术人员需要将先它按一定方式叠起来塞进火箭里，送到预定地点后，又要遥控它按一定方式展开。简直是工程学的极致。

就发射载具而言，NASA很早就敲定了跟欧洲宇航局的合作，用的是欧航局的阿丽亚娜5号大推力运载火箭，负责将韦伯太空望远镜送入预定轨道。

发射地点选在了法属圭亚那的库鲁，这里位于赤道，能借助地球自转给予火箭额外的推力，让韦伯望远镜能更容易地进入预定轨道。

那么，韦伯望远镜将被送去的目的地又是哪里呢？

这个目的地被称为拉格朗日L2点，这，同样是个让科学家们感觉棘手，且不容许出错的地方。

因为，哈勃望远镜所在的点是离地面570公里的近地轨道，而韦伯望远镜抵达的拉格朗日L2点，距离地球150万公里，比月球还要远出一大截…

拉格朗日点，指的是一个物体受太阳、地球两大天体引力作用，能保持相对静止的点，由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明出来，共有5个点。

其中L2点位于日地连线上，在地球外侧约150万公里的地方，是探测器、天体望远镜定位，以及观测太阳系的理想位置，我国的嫦娥二号也曾环绕拉格朗日L2点飞行过。

这么远的地方，韦伯望远镜一旦在这里出了什么故障，是不可能有宇航员能坐飞船过去修理，因为这个距离远远超出载人航天器能抵达的极限。

另外，之所以在5个点里面挑中L2点，是因为L2刚好位于地球和月球的背阴面上，对于探测暗淡红外线的韦伯望远镜来说，来自太阳这个巨大发光体的干扰越少，能观测到的效果就越好…

防光罩

接下来，即便顺利抵达了拉格朗日L2点，要让韦伯望远镜在太空极端环境下顺利工作，同样面临巨大的挑战。

这方面，NASA的工程师首先要解决的，就是要制作一个强大防光罩！

我们前面说了，在拉格朗日L2点，韦伯太空望远镜需要防止来自太阳（甚至地球反射）的可见光的影响。同时，红外光的观测，需要让观测仪器保持在极低的温度下。

因此，一个强大的防光防热罩必不可少。

防光罩展开后朝向太阳挡住阳光，隔绝阳光的热量。

没有太阳照射时，L2附近的温度是零下233摄氏度，而太阳直射时的温度高达零上83摄氏度。

因此，制造这个防光罩，必须找到一种完整性好，又能不透过阳光和热量的材料。用工程师的话来说，“韦伯需要一个无比强大的龟壳”。

怎样防光和隔热呢？

众所周知，热量传递有三种方式：

一是传导，二是对流，三是辐射。

在真空环境下，对流自然是不存在的，需要杜绝的是热传导和热辐射的影响。

为了解决这个问题，工程师们需要在防光罩上下大功夫。

首先，防光罩的材料不仅要轻巧，强劲，在太阳的强辐射下不降解，还需要在做成大尺寸后，在极大的温差环境下保持稳定不变形，同时，还要具备极强的反射性。

这是一个异常苛刻的条件，但NASA的工程师们千挑万选，最终找到了杜邦公司的聚酰亚胺（kapton）作为防光罩的材料。

聚酰亚胺符合以上防光罩需要的全部条件，唯一的缺点是它本身是透明的，那岂不是阻挡不了辐射了？

好在聚酰亚胺还有一个优点，那就是很容易跟其他材料镀膜贴合，只需要在后面镀上一层100纳米厚的铝涂层，完美的防光罩的材料就这样产生了！

防光罩总共有五层，各层之间相互隔开且有一部分空隙，热传导的问题自然是不会发生的。

那么热辐射呢？

当太阳直射到防光罩上的时候，总共有五层的防光罩，每一层都会反光，都有可能通过辐射传导热量。

特别是最外面一层，在反射阳光时会产生强烈的辐射，从而影响到红外线探测主镜，这个问题又怎么解决呢？

这里，工程师们用了一个相当巧妙的设计。

他们让防光罩的每层都以一定的角度偏斜，确保每一层的光辐射都能在多次反射后最终输出到侧面的宇宙空间中，完全不会漏光到主镜面上。

不仅如此，防光罩从面对太阳的第一层，到背光的第五层，每层的面积逐渐缩小，可确保工作的主镜永远处在受到辐射影响最少的位置。

甚至，第一层和第二层还都涂上了50纳米厚的粉色硅材料。

这一切，都是为了尽最大可能将热量释放到太空，而不漏向承担红外线探测工作的镜面。

就是这么精妙设计的5层薄膜，成了望远镜的光盾和热盾。

然而，隔热仅仅是第一个小小的挑战…

更大的挑战是，怎样把这样一个精密的大家伙按规则的方式折叠起来，当它抵达目的地后，又要用一套复杂的机制确保它能顺利展开？

为了达成这一步，工程师同样用了特别的设计，

原理和降落伞非常相似，将它设计成一套确定性模组，也就是说，它只能按一个固定方式折叠。

工程师们将它比作降落伞：

在最后时刻能顺利打开的关键，取决于你当初是否有正确地折叠它。

按确定模式叠对了，最后就能顺利打开了…

打开的方式也是一个漫长的过程，离开地球后不久，韦伯就要启动展开自己的过程。

首先是太阳能阵列和通讯天线，这一步不算难。

真正伤脑筋的是在发射后的第7天，这时候韦伯已经快接近拉格朗日L2点了。

这时候，防光罩要按一定步骤缓慢展开，这中间有300个容易出错的地方，错一步，整个耗尽20年的项目就彻底完蛋。

可以说，这个缓慢展开的过程是最揪心的，短短三天时间里，一路上有300个让100亿美元打水漂的坑…

那三天，将是全世界最紧张的三天，当三天后防光罩彻底展开完毕，后面才轮到其他仪器，光学设备的展开。

制冷机

如果一切顺利，韦伯太空望远镜的防光罩顺利展开，接下来才轮到主镜等部分开始正常工作。

一般来说，主镜等设备需要在零下233度（40开尔文）的低温下才能顺利探测红外线。

而主镜背后的中红外线探测器需要的温度更低，需要零下266.15度的低温环境。

这样的情况下，韦伯还需要一台特殊的制冷机，才能让这个中红外线探测器正常工作。

谁能想到，单单是开发这款特殊的制冷机，就花了NASA1.5亿美元！

这台制冷机，被工程师们称前所未有的，革新型的制冷机。

之所以这么费钱，只因为冷却功能只是其中一小部分，设计师们还要考虑这台制冷机的其他两方面：

首先它必须是个对称的玩意儿，重量平衡，不会在移动时引起韦伯望远镜偏移，因为一点细微的偏移，都会让望远镜捕捉的几十亿光年外的红外线照片变得模糊不堪…

其次还需要考虑省电，能在制冷方面循环利用能量。要知道，制冷机必然需要一些电力，而韦伯的太阳能组件只能提供2000瓦的电能。

为了支撑数年的可靠运转，制冷机必须想办法把节能做到极限…

最终，工程师们绞尽脑汁设计出了这样一款制冷机：

对称双缸，拥有水平对立泵，使用氦做冷却剂的脉管制冷机。

最特别的，它使用了一个声波再生器来实现热量交换，从而达到制冷的效果！

这样一个制冷剂，既保持了平衡（水平对立），不至于在运行时让韦伯望远镜姿态，又能达到了节能制冷的效果。

其中，“用声波来制冷”听起来很科幻，也是韦伯望远镜里最“黑科技”的部分。

它是怎么实现的呢？

要知道，声波也是一种能产生压力的波，而压力和温度是成正比的。压力越大，产生的温度越高。压力越小，温度就越低。

于是，工程师们首先用声音在一个闭合的，充满氦气的管道里制造驻波（Standing wave）。

所谓驻波，是指频率相同、传输方向相反的两种波，其中的一个波一般是另一个波的反射波。在波形上，波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象。

在这个闭合的管道里制造声波，声波在里面多次反弹后会形成巨大的压力，通过制造不同的压力区，从而让热量自然跑去到压力大的区域。

如下图所示，高温和热量会在驻波的作用下聚集到管道的右边。

红色是高温高压区，蓝色是低压冷却区

此时，如果能把右边的热量抽走，热能不就能源源不断地传导到右边，从而在左边达到制冷的效果了吗？

那么怎样把热量抽走呢？

在冷热区之间先装一个有空隙的多孔材料排气管，上面的空隙既能让声波和气体通过，又能有效隔开两个区域。

这样，我们可以清晰地看到，排气管的左边是冷区域，右边是热区域。

接下来，工程师们将两个区域分别连到各自需要的部分，热区域连通防光罩，将热量排到太空里去…

冷区域连接中红外线探测器，将它冷却到需要的零下266.95度（即6.2开尔文），以便它能正常工作…

这台革新型的声波脉管制冷机，不仅形态上对称平衡，制冷效果一流，所需的电力也非常少。

虽然花费巨大，却是NASA工程师们的得意之作，也因此，它被不少工程师称为“整个韦伯望远镜里最魔幻的部件”！

只因为，它将最基本的物理原理运用到了极致…

金色主镜

主镜面是韦伯望远镜最有显眼的部件，它由18块六边形的部分组成，总直径达到6.5米。

为什么做成18个六边形，还是金色的，这又有什么讲究呢？

我们首先来看材料，这些镜子的主体实际由金属铍做成，然后在上面镀了一层黄金。

要知道，主镜面需要在宇宙的真空极端环境下保持形状不变，从而精确反射，搜集更多的红外线到中央的传感器上。

因此，镜面不能弯曲，不能因为温度发生任意变形，还必须重量足够轻，来降低火箭运载的成本。

因此，挑来选去，金属铍成了工程师们不二首选。

铍镜面比传统的玻璃材料+二氧化硅的镜子轻得多，还能适应超低温的环境。

其次，铍比钢硬6倍，不仅比起钢更容易折断，也更难塑造成形，但是，它一旦成形，是极不容易变形的！

当然，铍也有个缺点，反射度差，因此，要在它上面镀一层黄金。

对可见光来说，黄金并不算理想的反射材料，因此我们生活中几乎没见过用黄金做镜面的。

但是，在红外线区域，黄金的反射效果相当好。

每个六边形镜面上的黄金镀层只有0.1微米厚，这么大一面反射镜，镀金总量48.2克。

简直把减重做到了极致。

韦伯这块聚集光线的主镜面区域达到了25平方米，是哈勃集光区域的4.5平方米的5.5倍，重量却比哈勃的玻璃主镜轻了一大截。

那么，为什么搜集光线的镜面区域要做这么大呢？

这是因为，遥远的恒星，星系的光线，很可能穿行了几十甚至上百亿年，亮度微弱到纳米扬斯基（Nano-Jansky，亮度单位），这些光暗淡到难以想象。

科学家打了个形象的比喻：

把一盏孩子用的5瓦床头灯放到月球表面上，然后从地球上看这盏灯，那么它的亮度大约就是20纳米扬斯基。

而我们要寻找的那些微弱的光，是这样亮度的二十分之一…

所以说，科学家们当然希望能把镜面做得越大越好，但综合考虑火箭承载，以及其他技术限制，这个尺寸已经是目前NASA能做到的极限了…

那么，为什么要用18片六边形镜的“组合模式”呢？

这是汲取了哈勃望远镜的前车之鉴，要知道，哈勃最初发回来的照片很模糊，就是因为一整块镜面安装出现了细微的误差，为了修正镜头，NASA不得不发射航天飞机，送宇航员上去修理。

可是，韦伯太空望远镜一旦出问题，是没办法派人去维护的。

因为距离地球太远（150万公里），完全超出了目前载人航天器能抵达的极限，一整块镜面要是出了问题，基本等于玩完。

所以，工程师们决定不再重蹈哈勃的覆辙，他们巧妙设计了一套系统，让主镜可以自我校正。

18个独立的镜面都可以独立调整角度，从而改变镜面的整体曲度，将搜集的光线准确反射到副镜上。

除此之外，18个六边形镜面每个背后还有6个微调装置，用来调整它们的位置，确保让光线完美反射到副镜上。

最终，经过校正的主镜面，将所有光线汇聚到副镜上，最终形成一束只有人类头发的万分之一大小的光。

而之所以需要这一切，是因为面对火箭发射这么一个剧烈加速度和震动的过程，是很难保证主镜丝毫没有偏移的。因此设计了这么一套系统，当望远镜在天上完全展开之后，就会执行矫正过程，细致的矫正每一片镜片的角度，达到完美聚光。

最贵成像系统

那么，韦伯又是怎样做到尽可能多地将搜集的所有光线汇成一束，之后又是怎么处理的呢？

下面，就要靠它体内的一套精确的电子系统

——精确引导系统了。

早在前些年测试的时候，NASA的工程师们就重点测试了韦伯的电子系统在宇宙真空环境里的工作能力。

在主镜面的中心，当光线经过主镜反射到副镜，又通过副镜汇成人类头发的万分之一大小的光束后，光线会再次反射到主镜面中心，这里有一个被称为卡塞格林焦点的装置。

这是一个主镜正中的黑色突起的装置，它可以阻挡周围散射的光线进入缝隙。

在它的里面，又有两块至关重要的镜片。

一块被称为精确转向镜，这块镜片，是目前世界上最贵的图像稳定工具！

精确转向镜就由精确引导系统控制，精确引导系统的主要职能就是，当它锁定观测一颗星星时，会让星星始终保持在观测视野的正中心。

这套系统会每隔64毫秒就发信号，让姿态系统做出调整，确保望远镜对准观测目标。

而姿态系统调整有6个反应轮，在隔热板下面，和精确引导系统一起工作，确保尽可能更精确地拍到照片，将捕捉到图像的模糊的程度降到最低…

推进器

虽说被火箭送到拉格朗日L2点后，韦伯太空望远镜大多数情况下不会随便移动。

但是，在必须调整姿态，或者因某些原因稳定自身的时候，韦伯也是需要一定动力的。因此，韦伯太空望远镜也装了必要的推进器。

望远镜的航天器载具里，储存了191升的联氨，95.5升的四氧化二氮（氧化剂）。

联胺是一种无色剧毒化合物，碰到氧化剂能发生自燃。这一套自燃推进剂，可以在必要时候，为分布在望远镜底部的20个不同的小型火箭推进器提供动力。

之所以使用自燃推进剂，是因为不需要点火就能自燃产生动力，避免了因点火器失灵出纰漏。

不仅如此，这种推进剂能储存10年，差不多和韦伯的使用寿命相当。

当然咯，自燃剂的优点是能储存10年，缺点是只能储存10年。

一旦NASA想让韦伯太空望远镜超期服役，就只能干瞪眼，因为没办法再往载具里加注燃料…

不过，这些问题是可以留到未来慢慢考虑的。

NASA已经在考虑开发一种到L2去加注燃料的技术，争取在未来十年内搞定，这大概率是制造一种机器人，送到拉格朗日L2点去，找到韦伯后给它加注燃料。

看起来，韦伯望远镜的确是集目前人类最先进技术于一体的“黑科技”产品。

NASA的工程师们在排除万难完成这一作品后，也忍不住吐槽：

“在地球上制造韦伯非常非常困难，希望有一天技术进步后，能到太空里去制造，在太空里完成检测，最后直接在太空里安装部署…在地球上做这一切，真的太艰难了。”

不管怎样，韦伯太空望远镜都是一个里程碑，它向我们展示了，未来的技术会是什么样子。

现在，这个耗时25年，前后花费100多亿美元，占去NASA这些年四分之一预算的“黑科技”产物，韦伯太空望远镜已经在今天，由搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭升空，

让我们期待它完成最后的冲刺，顺利挺过发射，以及之后抵达预定地点的展开，在接下来的十年里，为人类解开宇宙的终极秘密…

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https://www.jwst.nasa.gov/

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